110

Click here to load reader

Fiber Optic

Embed Size (px)

DESCRIPTION

About Fiber Optic

Citation preview

Page 1: Fiber Optic

Sejarah Fiber Optik

1880, Alexander Graham BellBereksperimen dengan peralatan yang disebut dengan photophone.

Mentransmisikan gelombang suara pada sorotan cahaya Peralatan ini tidak dapat dipercaya, buruk, dan tidak memiliki

aplikasi praktik yang nyata Namun alat Bell adalah usaha yang pertama dalam memakai

sorot cahaya unutk membawa informasi.

1930, J.L. Baird (ilmuwan Inggris) dan C.W. Hansell (Ilmuwan dari US)

Memilki paten yang diakui untuk scan dan transmisi gambar televisi melalui kabel fiber tanpa lapisan

Beberapa tahun kemudian, ilmuwan asal German, H. Lamn sukses mentransmisikan gambar melalui satu fiber gelas

1951, A.C.S. van Heel (Belanda) dan H.H. Hopkins dan N.S. Kapany (Inggris)

Bereksperimen dengan transmisi cahaya melalui buntelan fiber

Study mereka mengarah ke perkembangan flexible fiberscope, yang dipakai secara luas dalam bidang kedokteran (medis)

Kapany adalah orang yang memberikan istilah fiber optik pada tahun 1956.

1958, Charles H. Townes (Amerika) dan Arthur L. Schawlow (Canada)

Menulis karya ilmiah yang menggambarkan bagaimana memungkinkan untuk memakai emisi yang dirangsang untuk memperkuat gelombang cahaya (laser) seperti microwave (maser)

Page 2: Fiber Optic

1960, Theodore H. MaimanIlmuwan dengan perusahan pesawat udara yang besar, membangun laser optik yang pertama.

Laser (light amplification by stimulated emission of radiation) memiliki daya out put yang tinggi, frekuensi operasi yang tinggi dan kemampuan membawa sinyal dengan bandwidth yang bukan main lebarnya, membuatnya cocok untuk sistem komunikasi dengan kapasitas yang tinggi.

1967 K.C. Kao dan G.A. Bockham of Standard Telecommunication di Inggris

Mengutarakan medium komunikasi yang baru yang memakai kabel fiber dengan selubung (cladded fiber cable).

Kabel fiber yang tersedia pada tahun 1960-an merupakan kabel dengan loss yang ekstrim (lebih dari 1000 dB/km) yang membatasi transmisi optik untuk jarak yang pendek.

1970, Kapron, Keck, dan Maurer of Corning Glass Works in Corning, New York

Mengembangkan fiber optik dengan loss yang kurang dari 2 dB/km

Terobosan yang besar, yang diperlukan untuk memungkinkan sistem komunikasi fiber optik yang praktis.

Sejak tahun 1970, teknologi fiber optik telah tumbuh secara eksponensial

Pada akhir tahun 1970-an dan awal 1980-anPerbaikan kabel optik dan pengembangan kualitas yang tinggi, sumber cahaya yang kuat dan detector telah membuka pintu terhadap pengembangan kualitas yang tinggi, kapasitas yang tinggi, dan sistem komunikasi fiber optik yang efisien

Baru-baru ini, Lab Bell sukses mentransmisikan 1 milyar bps melalui kabel fiber untuk jarak 600 mile tanpa regenerator.

Page 3: Fiber Optic

Cabang elektronik yang berurusan dengan cahaya disebut dengan optoelectronic.

Fiber Optik Versus Kabel Tembaga

Keuntungan Sistem Fiber1. Sistem fiber memiliki kapasitas yang lebih besar karena

tersedianya bandwidth yang lebih lebar pada frekuensi optik. Kabel tembaga memilki kapasitansi dan inductor disepanjang konduntor. Hal ini (sifat ini) menyebabkan kabel tembaga berkelakuan seperti filter low pass yang membatasi frekuansi transmisi dan bandwidth.

2. Sistem fiber tahan terhadap crosstalk di antara kabel-kabel yang ada disekitarnya, yang disebabkan oleh induksi magnetic. Fiber gelas atau plastik bukan penghantar listrik dan karenanya tidak memiliki medan magnet. Pada kabel tembaga, penyebab utama crosstalk adalah induksi magnet antara konduktor yang terletak berdekatan satu sama lain.

3. Kabel fiber tahan terhadap interferensi statis yang disebabkan oleh kilat, motor listrik, lampu pijar/neon, dan sumber noise listrik lainnya. Hal ini juga disebabkan oleh kenyataan bahwa fiber optik bukan penghantar listrik. Kabel fiber tidak meradiasikan energi RF dan oleh karenanya tidak dapat menyebabkan interferensi dengan sistem komunikasi lainnya. Karakteristik ini membuat sistem fiber secara ideal cocok untuk aplikasi militer.

4. Kabe fiber lebih tahan terhadap lingkungan yang ekstrim. Kabel fiber beroperasi pada variasi temperatur yang lebih besar dari kabel tembaga, dan kurang dipengaruhi oleh gas dan cairan yang bersifat merusak.

5. Kabel fiber lebih aman dan lebih mudah untuk dipasang dan pemeliharanya. Karena fber gelas atau plastik bukan penghantar listrik, maka tidak terdapat arus listrik atau tegangan. Fiber dapat dipakai disekitar gas dan cairan yang

Page 4: Fiber Optic

mudah menguap tanpa kuatir terhadap kebakaran atau ledakan. Fiber dimensinya lebih kecil dan jauh lebih ringan dari kabel tembaga. Sebagai akibatnya, lebih mudah bekerja dengan fiber. Juga, kabel fiber memerlukan ruang simpan yang lebih kecil dan biaya transport yang lebih murah.

6. Kabel fiber lebih aman dari kabel tembaga. Secara virtual tidak mungkin untuk menyadap (memasang alat pendengar rahasia) pada kabel fiber tanpa user yang mengetahui tentang fiber.

7. Meskipun belum terbukti, sistem fiber diproyeksikan akan berakhir lebih lama dari sistem tembaga. Asumsi ini didasarkan pada toleransi fiber yang lebih tinggi terhadap perubahan pada lingkungan.

8. Biaya jangka panjang sistem fiber optik diproyeksikan kurang dari sistem tembaga.

Kerugian Sistem FiberPada saat ini, terdapat beberapa kerugian sistem fiber.

Satu kerugian yang signifikan (berarti) adalah biaya awal yang lebih tinggi terhadap pemasangan sistem fiber, meskipun di masa yang akan datang dipercaya bahwa biaya pemasangan sistem fiber akan berkurang secara dramatis.

Kerugian yang lain adalah sistem fiber tidak terbukti telah beroperasi untuk periode waktu yang lebih lama, serta pemeliharaan dan perbaikan terhadap sistem fiber juga lebih sulit dan mahal dari sistem tembaga.

Spektrum Elektromagnetik

Spektrum frekuensi elektromagnetik dan aplikasinya dalam sistem komunikasi ditunjukkan dalam gambar berikut:

Page 5: Fiber Optic
Page 6: Fiber Optic

Spektrum cahaya dibagai menjadi tiga band:1. Infrared: band panjang gelombang cahaya yang terlalu

panjang untuk dilihat oleh mata manusia.2. Visible: band panjang gelombang cahaya yang akan direspon

oleh mata manusia.3. Ultraviolet: band panjang gelombang cahaya yang terlalu

pendek untuk dilihat oleh mata manusia

Sistem Komunikasi Fiber OptikTerdiri dari tiga bagian yang utama: transmitter, receiver dan fiber optik (fiber guide)

Transmitter: Sumber cahaya dapat dimodulasi oleh sinyal analog atau

digital. Untuk modulasi analog, interface input menyesuaikan impedansi dan amplitudo sinyal input. Untuk modulasi digital, sinyal sumber mungkin dalam bentuk digital atau jika dalam bentuk analog, sinyal analog ini harus diubah ke sederetan pulsa digital, dan untuk kasus ini, converter analog ke digital harus dimasukkan ke interface tersebut.

Converter tegangan ke arus mengubah tegangan input ke arus, yang dipakai untuk menggerakkan sumber cahaya.

Analog or digital interface

Voltage to current converter

Light Source

Source to fiber interface

Fiber to light detector interface

Light detector

Current to voltage converter

Analog or digital interface

input

output

Fiber Optik

Page 7: Fiber Optic

Jumlah cahaya yang diemisikan oleh sumber cahaya (LED atau ILD) sebanding dengan arus penggerak (drive current)

Coupler sumber cahaya ke fiber (sebagai contoh, lensa) berfungsi untuk mengcouple cahaya yang diemisikan oleh sumber cahaya ke kabel fiber optik.

Receiver: Peralatan coupling fiber ke detector cahaya berfungsi untuk

mengcouple cahaya sebanyak mungkin dari fiber ke detector cahaya.

Detektor cahaya (PIN atau APD) berfungsi untuk mengubah energi cahaya ke arus

Konverter arus ke tegangan mentransformasikan perubahan dalam arus detector ke perubahan dalam tegangan output

Jika dipakai modulasi analog, interface menyesuaikan impedansi dan level sinyal ke rangkaian ouput. Jika modulasi digital dipakai, interface harus memakai converter digital ke analog.

Fiber Optik Fiber optik dapat berupa kabel plastik atau gelas murni (ultra-

pure glass) Fiber optik terdiri dari inti (core), cladding, dan jaket

pelindung

Gambar berikut adalah elemen mayor sistem komunikasi optik. Komponen dasarnya terdiri dari transmitter cahaya, fiber optik dan receiver photo detector, sedangkan elemen tambahannya terdiri dari konektor, optical splice, regenerator, beam splitter dan penguat optik.

Page 8: Fiber Optic

Type Fiber

Terdapat tiga macam fiber optik yang seluruhnya dikonstruksi dari gelas atau plastik atau kombinasi dari gelas dan plastik

Inti (core) dan cladding plastik. Core gelas dengan cladding plastik (sering disebut dengan

fiber PCS, plastic-clad silica).

Page 9: Fiber Optic

Core dan cladding gelas (sering disebut dengan SCS, silica-clad-silica)

Saat ini, Lab bell sedang menyelidiki kemungkinan pemakaian tipe yang keempat yang mamakai bahan non silica, zinc chloride. Eksperimen permulaan telah menunjukkan bahwa fiber jenis ini 1000 kali seefisien fiber yang dibuat dari gelas (silica).

Fiber plastikKeuntungan fiber plastik terhadap fiber gelas

Fiber plastik lebih fleksibel dan sebagai akibatnya lebih kasar dari gelas

Mudah pemasangannya Dapat menahan tekanan dengan baik Kurang mahal dan beratnya 60% kurang dari gelas

Kerugian fiber plastik Karakteristik redaman yang tinggi Fiber plastik merambatkan cahaya tidak seefisien fiber gelas Sebagai akibatnya, secara relatif terbatas untuk jarak pendek,

seperti dalam satu gedung atau komplek gedung.

Fiber dengan Core Gelas Karakteristik redaman yang rendah Fiber PCS sedikit lebih baik dari fiber SCS Fiber PCS kurang dipengaruhi oleh radiasi dan oleh

karenanya lebih menarik untuk aplikasi militer Fiber SCS memiliki perambatan yang terbaik dan lebih

mudah untuk diakhiri dari pada fiber PCS Sayangnya, kabel SCS paling kurang kasarnya dan lebih

mudah meningkat redamannya ketika kena radiasi. Pemilihan fiber untuk aplikasi tertentu adalah fungsi dari keperluan sistem yang spesifik dan selalu terdapat untung rugi yang didasarkan pada ekonomi dan aplikasi tertentu.

Page 10: Fiber Optic

Konstruksi FiberTergantung pada konfigurasinya, kabel fiber dapat berupa core, cladding, protective tube, buffers, strength members dan satu atau lebih protective jackets. Perhatikan Gambar berikut:

Konstruksi loose tube (Gambar a) Setiap fiber ditempatkan dalam protective tube Di dalam protective tube, persenyawaan polyurethane

membungkus fiber dan mencegah gangguan dari air

Page 11: Fiber Optic

Konstruksi constrained fiber (Gambar b) Disekeliling kabel fiber adalah buffer primer dan sekunder Buffer jackets memberikan perlindungan terhadap fiber dari

pengaruh mekanik luar yang dapat menyebabkan fiber rusak atau redaman optik yang berlebihan

Kevlar adalah materi tipe yarn yang dapat meningkatkan daya rentang kabel

Protective tube bagian luar diisi dengan polyurethane yang mencegah embun

Konfigurasi multiple-strand (Gambar c) Untuk meningkatkan daya rentang, bagian steel central dan

lapisan Mylar tape wrap dimasukkan dalam paket ini.Konfigurasi ribbon (Gambar d)

Sering dijumpai dalam sistem telepon yang memakai fiber optik

Konfigurasi kabel plastic-clad silica (Gambar e)

Perambatan Cahaya

Meskipun unjuk kerja fiber optik dapat dianalisa secara lengkap dengan pemakaian persamaan Maxwell, namun hal ini sangat rumit. Untuk sebagaian besar aplikasi praktis, jejak gelombang geometris (geometric wave tracing) dapat dipakai sebagai pengganti persamaan Maxwell; jejak cahaya (ray tracing) akan memberikan hasil yang cukup akurat.

Kecepatan perambatan Energi elektromagnetik, seperti cahaya merambat pada

kecepatan mendekati 300.000.000 m/dt (186.000 mil/dt) dalam ruang bebas

Kecepatan perambatan adalah sama untuk seluruh frekuensi cahaya dalam ruang bebas

Namun dalam materi yang lebih rapat dari ruang bebas, kecepatan perambatan cahaya berkurang.

Page 12: Fiber Optic

Ketika kecepatan gelombang elektromagnetik berkurang saat merambat dari satu medium ke medium yang lebih rapat, sinar cahaya dibiaskan (bengkok) ke arah normal

Dalam materi yang lebih rapat dari ruang bebas, seluruh frekuensi cahaya tidak merambat pada kecepatan yang sama

Pembiasan

Page 13: Fiber Optic

Gambar a menunjukkan bagaimana sinar cahaya dibiaskan ketika melewati materi dengan kerapatan tertentu ke materi yang lebih rapat. (Sebenarnya, sinar cahaya tidak bengkok, tetapi arahnya berubah pada interface).

Gambar b menunjukkan bagaimana sinar matahari yang terdiri dari seluruh frekuensi cahaya dipengaruhi ketika melewati materi yang lebih rapat dari ruang bebas

Pembiasan terjadi pada kedua interface udara/gelas. Panjang gelombang sinar ultraviolet paling besar dibiaskan

sedangkan panjang gelombang sinar merah paling sedikit dibiaskan

Pemisahan spectrum cahaya putih dengan cara seperti ini disebut dengan pembiasan prisma (prismatic refraction).

Pembiasan prisma merupakan kejadian yang menyebabkan terjadinya pelangi; air yang jatuh pada atmosfir berkelakuan seperti prisma yang memisahkan cahaya matahari (cahaya putih) menjadi bermacam panjang gelombang, yang menghasilkan spectrum warna yang dapat dilihat.

Indeks Bias

Pembiasan yang terjdi pada interface dua materi dengan kerapatan yang berbeda merupakan suatu hal yang dapat diprediksi dan tergantung pada indeks bias dua materi tersebut.

Indeks bias adalah perbandingan antara kecepatan perambatan sinar cahaya pada ruang bebas terhadap kecepatan perambatan sinar cahaya pada suatu materi

Secara matematis indeks bias dinyatakan sebagai

dengan c = kecepatan cahaya dalam ruang bebas (300.000.000 m/dt) v = kecepatan cahaya pada suatu materi

Page 14: Fiber Optic

Meskipun indeks bias juga merupakan fungsi dari frekuensi, namun variasi frekuensi pada sebagian besar aplikasi tidak signifikan dan karenanya tidak dibahas

Indeks bias beberapa materi yang umum ditunjukkan pada Tabel berikut

Bagaimana sinar cahaya bereaksi ketika menemui interface dua materi yang dapat meneruskan cahaya, yang memiliki indeks bias yang berbeda dapat dijelaskan dengan hukum Snell. Hukum Snell menetapkan sebagai berikut:

n1sin 1 = n2 sin 2 (1) dengan n1 = indeks bias materi 1 (satuan)

n2 = indeks bias materi 2 (satuan) 1 = sudut datang (derajat) 2 = sudut bias (derajat)

Model indeks bias hukum Snell ditunjukkan dalam Gambar berikut

Page 15: Fiber Optic

- Pada interface, sinar yang datang dapat dibiaskan menuju normal atau menjauhi normal, tergantung pada apakah nilai n1 kurang dari atau lebih dari n2.

- Ketika sinar cahaya memasuki materi yang kurang rapat (n1 > n2), sinar membengkok menjauhi normal dan sudut bias lebih besar dari sudut datang

- Ketika sinar cahaya memasuki materi yang lebih rapat (n1 < n2), sinar membengkok menuju normal

- Normal adalah garis yang digambar tegak lurus terhadap interface pada titik dimana sinar jatuh pada interface tersebut.

Page 16: Fiber Optic

Contoh 1Dalam Gambar di atas, misalkan medium 1 adalah gelas dan medium 2 adalah ethyl alcohol. Jika sudut datang sinar sebesar 30, tentukan sudut biasnya.

PenyelesaianBerdasarkan Tabel 1, n1(gelas) = 1,5, ethyl alcohol = 1,36 dan berdasarkan persamaan (1) diperoleh:

= sin

Hasil ini menunjukkan bahwa sinar cahaya dibiaskan (bengkok) atau arahnya berubah sebesar 33,470 pada interface. Karena sinar cahaya merambat dari materi yang lebih rapat ke materi yang kurang rapat, maka sinar bengkok menjauhi normal.

Page 17: Fiber Optic

Sudut Kritis

Gambar di atas menunjukkan kondisi dimana sinar yang datang berada pada suatu sudut sedemikian hingga sudut bias adalah sebesar 900 dan sinar yang dibiaskan berada disepanjang interface. (penting untuk diperhatikan bahwa sinar cahaya merambat dari medium dengan indeks bias yang lebih tinggi ke yang lebih rendah)

Dengan memakai Hukum Snell,

sin 1 =

dengan nilai 2 = 900 maka

sin 1 = (1)

Page 18: Fiber Optic

dan (2)

dengan c = sudut kritis.

Sudut kritis didefinisikan sebagai sudut datang yang minimum, yang menghasilkan sudut bias sebesar 900 atau lebih besar. (Definisi ini hanya mengenai sinar cahaya ketika merambat dari medium yang lebih rapat ke kurang rapat).

Jika sudut bias bernilai 900 atau lebih, sinar cahaya tidak akan menembus materi yang kurang rapat. Sebagai akibatnya, pantulan total terjadi pada interface, dan sudut pantul sama dengan sudut datang.

Gambar dibawah menunjukkan perbandingan antara sudut bias dengan sudut pantul ketika sudut datang kurang atau lebih besar dari sudut kritis.

Page 19: Fiber Optic

Perambatan Cahaya Melalui Fiber OptikCahaya dapat dipropagasikan pada kabel fiber optik dengan

cara dibiaskan atau dipantulkan. Bagaiaman cahaya dipropagasikan, tergantung pada mode propagasi atau index profile dari fiber.

Page 20: Fiber Optic

Mode propagasi Dalam istilah optik, kata mode berarti jalur (path). Jika hanya terdapat satu jalur bagi cahaya untuk merambat

pada kabel fiber, maka disebut single mode. Jika terdapat lebih dari satu mode, disebut dengan

multimode. Gambar dibawah menunjukkan propagasi single dan multimode cahaya pada fiber optik.

Index profile Index profile fiber optik adalah representasi secara grafik

nilai indeks bias fiber. Indeks bias diplot pada axis horizontal dan jarak radius dari

axis core diplot pada axis vertical. Gambar dibawah menunjukkan index profile tiga tipe kabel fiber.

Page 21: Fiber Optic

Terdapat dua tipe dasar index profile yaitu step dan graded. Step index fiber memiliki core dengan indeks bias yang

seragam. Core dikelilingi oleh cladding dengan indeks bias yang seragam yang kurang dari core.

Page 22: Fiber Optic

Berdasarkan Gambar di atas, step index fiber memiliki perubahan indeks bias yang terjal pada interface core/cladding.

Dalam graded index fiber tidak terdapat cladding, dan indeks bias core tidak seragam; indeks bias tertinggi pada pusat dan menurun secara berangsur-angsur seiring dengan jarak yang menuju tepi luar fiber.

Konfigurasi Fiber OptikPada dasarnya terdapat tiga tipe konfigurasi fiber optik yaitu

single mode step index, multimode step index, dan multimode graded index.

Page 23: Fiber Optic

Single Mode Step Index Fiber Single mode step index fiber memiliki core yang cukup kecil

sehingga pada dasarnya hanya terdapat satu jalur/path yang diambil oleh cahaya ketika merambat pada kabel fiber (Gambar di atas)

Dalam bentuknya yang paling sederhana, cladding single mode step index fiber berupa udara (Gambar a).

Page 24: Fiber Optic

o Indeks bias core gelas (n1) adalah sekitar 1,5 dan cladding udara (n0) sebesar 1.

o Perbedaan indeks bias yang besar menghasilkan sudut kritis yang kecil (sekitar 420) pada interface gelas/udara. Sebagai akibatnya fiber akan menerima cahaya dari aperture yang luas. Hal ini membuatnya relatif mudah untuk menggandeng/mengkopel cahaya dari sumber ke kabel fiber.

o Namun tipe fiber ini sangat lemah dan terbatas pemakainnya dalam praktek.

Tipe single mode step index fiber yang lebih praktis adalah fiber yang memilki cladding bukan udara (Gambar b)o Indeks bias cladding (n2) sedikit lebih kecil dari pusat

core (n1) dan seragam disepanjang cladding.o Tipe fiber ini secara fisik lebih kuat dari fiber yang

claddingnya udara, tetapi sudut ktritisnya jauh lebih besar (sekitar 770). Hal ini menghasilkan sudut penerimaan yang kecil dan aperture sumber ke fiber yang sempit, dan membuatnya sangat sulit untuk menggandeng cahaya dari sumber cahaya ke fiber.

Dalam kedua tipe single mode step index fiber, cahaya dipropagasikan pada kabel fiber melalui pantulan.

Sinar cahaya yang memasuki fiber merambat secara langsung pada core atau mungkin melalui pantulan sekali. Sebagai akibatnya, seluruh sinar cahaya mengikuti jalur yang hampir sama dan memerlukan waktu yang hampir sama untuk mencapai ujung fiber. Hal ini merupakan satu keuntungan yang sangat besar bagi single mode step index fiber.

Multimode Step Index Fiber

Page 25: Fiber Optic

o Fiber ini mirip dengan single step index fiber kecuali core-nya jauh lebih besar.

o Memiliki aperture cahaya ke fiber yang besar dan sebagai akibatnya memberikan lebih banyak cahaya memasuki kabel fiber.

o Sinar cahaya yang yang jatuh pada interface core/cladding pada sudut yang lebih besar dari sudut kritis (sinar A) dipropagasikan pada core dalam cara zigzag, dan secara kontinyu memantul pada interface tersebut

o Sinar cahaya yang yang jatuh pada interface core/cladding pada sudut yang lebih kecil dari sudut kritis (sinar B) akan memasuki cladding dan hilang.

o Dalam Gambar dapat dilihat bahwa terdapat banyak jalur/path yang dapat diikuti oleh cahaya ketika merambat pada fiber. Sebagai hasilnya, seluruh cahaya tidak mengikuti jalur yang sama dan sebagai akibatnya tidak memiliki waktu yang sama untuk mencapai ujung fiber.

Multimode Graded Index Fiber

Page 26: Fiber Optic

o Fiber jenis ini bercirikan bahwa core memiliki indeks bias yang tidak seragam (nonuniform). Indeks bias bernilai maksimum pada pusat dan menurun secara berangsur-angsur ketika menuju tepi luar fiber.

o Cahaya dipropagasikan pada jenis fiber ini melaui pembiasano Ketika sinar cahaya merambat secara diagonal melewati core,

sinar ini secara kontinyu memotong interface yang kurang rapat ke yang lebih rapat. Sebagai akibatnya sinar cahaya dibiaskan secara konstan yang menghasilkan pembengkokan cahaya yang kontinyu

o Cahaya memasuki fiber pada banyak sudut yang berbeda.o Ketika cahaya merambat pada fiber, sinar cahaya yang

merambat pada area fiber yang lebih luar, memiliki jarak yang lebih jauh dibandingkan dengan cahaya yang merambat dekat dengan pusat fiber

o Karena indeks bias menurun terhadap jarak yang dimulai dari pusat fiber, dan kecepatan cahaya berbanding terbalik dengan indeks bias, maka sinar cahaya yang merambat pada jarak yang lebih jauh dari pusat fiber merambat pada kecepatan

Page 27: Fiber Optic

yang lebih tinggi. Sebagai akibatnya, sinar-sinar tersebut memiliki waktu yang mendekati sama untuk mencapai ujung fiber.

Perbandingan Tiga Tipe Fiber Optik

Single Mode Step Index FiberKeuntungan

1. Dispersi minimum. Karena seluruh sinar merambat pada fiber dengan jalur yang hampir sama, maka sinar-sinar tersebut membutuhkan waktu yang hampir sama untuk tiba di ujung fiber. Sebagai akibatnya, pulsa cahaya yang memasuki kabel fiber dapat direproduksi di penerima dengan sangat akurat.

2. Karena akurasi yang tinggi dalam mereproduksi pulsa yang ditransmisikan di penerima, maka bandwidth yang lebih lebar dan kecepatan transmisi informasi yang tinggi memungkinkan dengan single mode step index fiber dari pada tipe fiber yang lainnya.

Kerugian1. Karena ukuran core sangat kecil, maka sulit untuk

menggandeng cahaya ke dalam dan keluar fiber. Aperture sumber ke fiber untuk tipe fiber ini paling kecil diantara tipe fiber yang ada.

2. Sumber cahaya dengan pengarahan yang tinggi seperti laser diperlukan untuk menggandeng cahaya ke single mode step index fiber karena ukuran core yang kecil tersebut.

3. Single mode step index fiber harganya mahal dan sulit untuk dibuat.

Multimode Step Index FiberKeuntungan

1. Murah dan mudah dalam pembuatannya.

Page 28: Fiber Optic

2. Mudah untuk menggandeng cahaya ke dalam dan keluar fiber karena memiliki aperture sumber yang besar ke fiber.

Kerugian 1. Sinar cahaya menempuh banyak jalur yang berbeda, yang

menghasilkan perbedaan waktu yang besar dalam perambatannya untuk mencapai ujung fiber. Karena hal ini, sinar yang merambat dalam fiber tipe ini memiliki kecenderungan untuk membentang. Sebagai akibatnya, pulsa cahaya yang merambat dalam multimode step index fiber mengalami distorsi yang lebih dari pada tipe fiber yang lainnya.

2. Kecepatan transfer informasi dan bandwidth dengan tipe fiber ini kurang dari tipe fiber yang lainnya.

Multimode Graded Index Fiber Pada dasarnya, tidak terdapat keuntungan atau kerugian yang

menonjol pada jenis fiber ini. Multimode graded index fiber lebih mudah menggandeng

cahaya ke dalam atau keluar fiber dibandingkan dengan single mode step index fiber, tetapi lebih susah dibandingkan dengan multimode step index fiber.

Distorsi yang disebabkan oleh jalur perambatan yang banyak, lebih besar dibandingkan dengan single mode step index fiber tetapi kurang dibandingkan dengan multimode step index fiber.

Graded index fiber lebih mudah dibuat dibandingkan dengan single mode step index fiber tetapi lebih sulit dibandingkan dengan multimode step index fiber.

Multimode graded index fiber dipertimbangkan sebagai fiber menengah dibandingkan tipe fiber yang lainnya.

Acceptance Angle dan Acceptance ConeGambar dibawah menunjukkan ujung kabel fiber (ujung yang akan dikopel dengan sumber cahaya).

Page 29: Fiber Optic

Ketika sinar memasuki fiber, sinar ini jatuh pada interface udara/gelas pada normal A. Indeks bias udara bernilai 1 dan inti gelas bernilai 1,5. Sebagai akibatnya, cahaya yang memasuki interface udara/gelas merambat dari medium yang kurang rapat ke medium yang lebih rapat.

Dibawah kondisi ini dan sesuai dengan Hukum Snell, sinar cahaya akan membias ke arah normal. Hal ini menyebabkan sinar cahaya berubah arahnya dan merambat secara diagonal pada core pada sudut (c) yang berbeda dengan sudut external sinar datang pada interface udara/gelas (in)

Page 30: Fiber Optic

Agar sinar cahaya merambat dalam fiber, sinar tersebut harus jatuh pada interface internal core/cladding pada sudut yang lebih besar dari sudut kritis (c).

Pemakaian Hukum Snell pada sudut external sinar datang menghasilkan persamaan sbb:

n0 = n1 sin (3) dan

= 90 - c

Jadisin = sin (90 - c) = cos c (4)Substitusi persamaan (4) ke persamaan (3) menghasilkan persamaan sbb:n0 = n1 cos c

= (5)

Gambar berikut menunjukkan hubungan geometris persamaan (2).

Dengan memakai teorema pitagoras, diperoleh:

cos c = (6)

Page 31: Fiber Optic

Substitusi persamaan (6) ke (5) diperoleh:

=

= (7)

dan

in = sin-1 (8)

Karena secara umum sinar memasuki fiber dari medium udara, maka n0 = 1, dan hal ini menyederhanakan persaman (12) menjadi:in(max) = sin-1 (9) in disebut dengan acceptance angle atau acceptance cone half angle, yang mendefinisikan sudut maksimum dimana sinar cahaya luar jatuh pada interface udara/fiber dan sinar masih merambat dalam fiber, dengan respon tidak lebih besar dari 10 dB turun dari nilai puncak. Rotasi acceptance angle disekitar axis fiber menggambarkan acceptance cone dari input fiber (Gambar di bawah).

Page 32: Fiber Optic

Numerical Aperture Numerical aperture (NA) adalah nilai yang dipakai untuk

menggambarkan kemampuan fiber optik dalam mengumpulkan cahaya.

Semakin besar magnitudo NA, semakin besar jumlah cahaya yang dapat diterima oleh fiber optik dari sumber cahaya eksternal.

Untuk step index fiber, NA secara matematis didefinisikan sebagai sinus dari acceptance half angle, yaitu:NA = sin in (10)dan NA = (11)sin-1 NA = in Untuk graded index fiber, Na adalah sinus dari sudut kritis,

yaitu:NA = sin c (12)

Contoh 2

Page 33: Fiber Optic

Untuk multimode step index fiber dengan core gelas (n1 = 1,5) dan fused quartz cladding (n2 = 1,46), tentukan sufut kritis (c), acceptance angle (in) dan numerical aperture. Media sumber ke fiber adalah udara.

PenyelesaianBerdasarkan persamaan sudut kritis, diperoleh:

c = = sin-1 = 76,70

Berdasarkan persamaan (9), diperoleh:in = sin-1 = sin-1 = 20,20

Berdasarkan persamaan (10), diperoleh:NA = sin in = sin 20,2 = 0,344

Soal:1. Fiber optik dengan indeks bias cladding bernilai 1,48

memiliki numerical aperture sebesar 0,25. Tentukanlah:(a) acceptance angle di udara (b) sudut kritis pada interface core-cladding

2. Kecepatan cahaya dalam core step index fiber adalah 2,05 x 108 m/dt dan sudut kritisnya sebesar 800. Tentukan acceptance angle (di udara) dan numerical aperture. Kecepatan cahaya di ruang hampa adalah 3 x 108 m/dt.

Banyaknya Mode yang Dapat Didukung Oleh Fiber

Parameter yang dipakai untuk menentukan banyaknya mode yang dapat didukung oleh fiber adalah frekuensi cut-off (V)

Frekuensi cut-off merupakan ukuran terhadap tingkat bimbingan suatu fiber

V =

Page 34: Fiber Optic

Jika nilai V yang diperoleh dari persamaan di atas adalah cukup jauh lebih besar dari satu, maka jumlah mode yang dapat didukung oleh fiber dinyatakan dengan persamaan:

N

Setiap mode mempunyai nilai V yang berbeda, dimana mode dengan frekuensi cut-off yang lebih kecil dari nilai V fiber saja yang akan merambat

Tabel berikut menunjukkan nilai V untuk mode orde terendah yang akan didukung oleh sebuah step indeks fiber

Mode Nilai V

HE11 0TE01, TM01 2,405

HE21 2,42HE12, EH11 3,83

HE31 3,86EH21 5,14HE41 5,16

TE02, TM02 5,52HE22 5,53

Untuk rambatan single mode besarnya nilai cut-off fiber adalah V 2,405

Contoh 3Fiber dengan diameter core sebesar 50 m memiliki nilai NA

sebesar 0,343 dan dipakai pada gelombang cahaya sebesar 0,8 m. Hitunglah nilai V serta jumlah mode yang dapat didukung oleh fiber tersebut.Penyelesaian

V = = 67, 3

N = ½ V2 = 267 mode

DEGRADASI SINYAL DALAM FIBER OPTIK

Page 35: Fiber Optic

Redaman sinyal (juga dikenal dengan rugi-rugi fiber atau sinyal) adalah salah satu ciri fiber optik yang paling penting, karena kontribusinya yang besar dalam menentukan jarak maksimum antara pemancar dan penerima tanpa penguat atau repeater. Karena penguat dan repeater mahal dalam pembuatannya, pemasangannya dan pemeliharaannya, sehinnga tingkat redaman dalam fiber optik memiliki pengaruh yang besar dalam biaya sistem.

Ciri lain fiber optik yang sama pentingnya adalah distorsi sinyal. Mekanisme distorsi dalam fiber optik menyebabkan pulsa-pulsa sinyal optik melebar ketika merambat disepanjang fiber. Jika pulsa-pulsa ini merambat cukup jauh, pulsa-pulsa ini akan tumpang tindih dengan pulsa-pulsa disebelahnya, sehingga akan menghasilkan kesalahan pada keluaran penerima. Jadi mekanisme distorsi sinyal membatasi kapasitas fiber dalam membawa informasi.

RedamanMekanisme redaman dalam fiber optik adalah penyerapan

(absorption), hamburan (scattering), dan rugi-rugi radiasi (radiative loss) energi optik. Penyerapan berhubungan dengan materi fiber sedangkan hamburan berhubungan dengan materi dan ketidaksempurnaan struktur fiber. Redaman akibat radiasi berasal dari gangguan geometri fiber

Satuan RedamanKetika cahaya merambat disepanjang fiber, dayanya menurun

secara eksponensial terhadap jarak yang ditempuh. Jika P(0) adalah daya optik di dalam fiber pada titik asal (pada jarak nol km, z = 0), maka daya P(z) pada jarak z adalah:

P(z) = P(0) e-p.z

p =

Page 36: Fiber Optic

dengan p merupakan koefisien redaman yang memiliki satuan km-1.

Untuk kemudahan dalm menghitung redaman sinyal optik didalam fiber, dipakai prosedur yang umum untuk mengekspresikan koefisien redaman dalam satuan dB/km, yaitu:

(dB/km) =

Parameter ini secara umum direferensikan sebagai redaman fiber atau rugi-rugi fiber.Contoh 4

Pertimbangkan fiber optik dengan panjang 30 km yang memiliki redaman 0,8 dB/km pada 1300 nm. Tentukan daya keluaran, jika ditransmisikan daya optik sebesar 200 m. Penyelesaian

Pin (dBm) = 10 log = 10 log = -7 dBm

Pout(dBm) = Pin (dBm) - z = -7 dBm – (0,8 dB/km) (30 km) = -7 – 24 = -31dBm.Dalam satuan watt, daya keluaran adalah:P(watt) = 10-31/10 (1mW) = 0,79 x 10-3 mW

Rugi-rugi Penyebaran Rayleigh Selama proses pembuatan fiber, gelas ditarik menjadi fiber

yang panjang dengan diameter yang sangat kecil. Gelas yang diberi tekanan selama proses ini, menyebabkan

gelas yang dingin menghasilkan ketidakberaturan submicroscopic, yang secara permanen terbentuk dalam fiber.

Ketika cahaya yang merambat dalam fiber, cahaya akan dibiaskan karena ketidakberaturan tersebut.

Pembiasan menyebabkan cahaya menyebar dalam banyak arah. Beberapa cahaya yang terbias tetap merambat dalam fiber dan yang lainnya keluar menuju cladding.

Cahaya yang keluar ini menunjukkan loss daya (power) cahaya dan disebut dengan Rayleigh scattering loss.

Page 37: Fiber Optic

Rugi-rugi ini berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang (-4)

Gambar dibawah menunjukkan hubungan antara panjang gelombang dengan Rayleigh scattering loss

Rugi-Rugi PenyerapanRugi-rugi penyerapan disebabkan oleh tiga mekanisme yang berbeda, yaitu penyerapan ultraviolet, inframerah, dan penyerapan resonansi ion.

Penyerapan ultraviolet Penyebaran ultraviolet disebabkan elektron valensi silika

lebur murni (pure fused silica) dapat diionisasikan menjadi elektron konduksi oleh cahaya pada panjang gelombang kira-kira 0,14 m yang setara dengan tingkat energi sebesar 8,9 eV.

Page 38: Fiber Optic

Ionisasi ini berkembang menjadi suatu rugi energi pada medan cahaya dan memberikan sumbangannya pada rugi transmisi.

Penyerapan UV bukan hanya terjadi pada panjang gelobang tetap ini, tetapi pada suatu jalur lebar yang membentang ke atas hingga ke bagian spektrum yang dapat dilihat, dengan rugi-rugi yang mengecil pada panjang gelombang yang lebih tinggi.

Ekor penyerapan UV ini mengecil dan dapat diabaikan pada jalur 1,2 – 1,3 m.

Pemberian campuran pada gelas (doping) seperti misalnya dioksida germanium untuk mengubah indeks bias menyebabkan sedikit peningkatan pada ekor penyerapan UV. Tetapi rugi-rugi pada 1,2 m untuk sebagaian besar fiber kurang dari 0,1 dB/km.

Penyerapan UV untuk gelas silica murni dan silica dengan doping germanium ditunjukkan dalam gambar dibawah.

Penyerapan inframerahPenyerapan inframerah terjadi karena foton energi cahaya yang diserap oleh atom di dalam molekul gelas diubah menjadi getaran mekanis yang acak yang khas dari pemanasan

Penyerapan resonansi ion Penyerapan resonansi ion disebabkan oleh ion-ion OH- dalam

bahan fiber. Sumber ion OH- adalah molekul-molekul air yang terbentuk dalam gelas selama proses pembuatan fiber

Puncak-puncak penyerapan terjadi pada 0,95, 1,25, dan 1,39 m dengan puncak utama terjadi pada 1,39 m

Rugi-rugi penyerapan ditunjukkan dalam gambar berikut

Page 39: Fiber Optic

Mode yang Bocor Jika cahaya merambat di dalam inti fiber dengan sudut yang

lebih kecil dari sudut krits maka cahaya akan dibiaskan, namun tidak seluruhnya. Sisanya akan merambat di dalam inti fiber (mode yang bocor). yang berguna untuk transmisi informasi

Pembiasan sebagain ini mungkin terjebak di dalan cladding dan merambat disepanjang cladding ke penerima.

Page 40: Fiber Optic

Dalam praktek telah didapatkan bahwa perlu untuk membuang mode yang bocor ini dari cladding sedini mungkin untuk mengurangi dispersi. Ini dicapai dengan melapisi cladding dengan bahan yang terbuat dari silica murni, dengan indeks bias yang lebih kecil dari inti tetapi lebih tinggi dari cladding.

Lapisan silica ini juga berfngsi untuk menambah kekuatan mekanis fiber

Perhatikan gambar dibawah

m1 mewakili alur sinar cahaya yang sepenuhnya dibimbing dan dipantulkan total oleh interface core-cladding, m2 mewakili sinar yang dipantulkan sebagain dan m3 mewakili sinar yang sepenuhnya dibiaskna ke luar dari inti

Page 41: Fiber Optic

Sebagian energi sinar dibiaskan lewat cladding dan kemudian lewat lapisan silika untuk diserap pada suatu jaket pelindung yang tidak tembus cahaya

Mode bocor yang ditimbulkan pada ujung pemancar biasanya hanya mengandung beberapa persen dari daya terbimbing total, dan hal ini dengan cepat diredam dekat pemancar dan menjadi suatu rugi tetap bagi fiber

Jika fiber merupakan fiber yang tidak tersambung, rugi ini akan terjadi sekali

Namun jika fiber merupakan sambungan beberapa fiber, mode yang merambat di bagian pertama mungkin tidak digandengkan dengan tepat ke bagian berikutnya, hal ini mengakibatkan daya pindah ke mode yang bocor pada sambungan tersebut

Jadi setiap sambungan akan menambah rugi

Rugi-rugi Penggandengan Mode Daya yang sudah dilepaskan dengan baik ke dalam suatu

mode yang merambat mungkin kemudian digandengkan ke dalam suatu mode bocor atau mode radiasi pada sebuah titik yang agak jauh pada fiber. Hal ini dapat terjadi karena beberapa alasan

Cacat kecil pada inti atau pada interface core-cladding dapat menyebabkan digandengkannya energi ke salah satu mode-mode yang bocor

Sumber lain penggandengan mode adalah sambungan yang dibentuk kurang sempurna atau konektor yang penyetelannya kurang sempurna. Umumnya rugi-rugi ini kira-kira 0,5 dB atau 0,2 dB per sambungan dan dapat dibuat minimum dengan mengurangi banyaknya sambungan atau konektor yang diperlukan dalam suatu rute fiber tertentu.

Rugi-rugi Pembengkokan

Page 42: Fiber Optic

Terdapat dua jenis pembengkokan yang menyebabkan rugi-rugi dalam fiber, yaitu pembekokan mikro (microbending) dan pembekokan radius konstan. Kedua pembekokan ini timbul karena alasan yang berbeda dan menimbulkan rugi-rugi dengan mekanisme yang berbeda pula.

Pembengkokan mikro

Merupakan pembengkokan mikroskopis inti fiber yang disebabkan oleh laju penyusutan thermal yang sedikit berbeda antara bahan inti dan cladding.

Pembengkokan mikro juga dapat terjadi bila fiber digulung untuk memudahkan pengangkutannya.

Rugi-rugi pembengkokan mikro terjadi karena bengkokan yang terjadi bekerja sebagai faset-faset penyebar (scattering facets) yang menyebabkan terjadinya penggandengan mode.

Karena pembengkokan mikro terbagi secara acak di sepanjang fiber, rugi-rugi yang diakibatkannya akan terbagi dengan merata dan suatu angka rugi-rugi total untuk suatu fiber dapat diperoleh

Ketelitian selama pembuatan dan pengangkutannya akan banyak mengurangi rugi-rugi ini.

Pembengkokan makro

Bila fiber optik diinstalasikan di dalam saluran atau pada tiang-tiang, sering diperlukan adanya belokan pada fiber untuk mengikuti sudut-sudut atau tikungan. Belokan ini akan menimbulkan rugi-rugi (hilangnya) cahaya dalam fiber karena mode-mode yang sepenuhnya terbimbing di bagian-bagian yang lurus pada fiber, akan terbimbing sebagian atau sama sekali tidak terbimbing pada bagian fiber yang melengkung.

Perhatikan Gambar di bawah

Page 43: Fiber Optic

Gambar Sinar dalam sebuah Fiber yang Bengkok

- Seberkas sinar cahaya sepenuhnya terbimbing ketika mencapai titik pantulan A pada bagian fiber yang lurus.

- Dari titik A cahaya dipantulkan dengan sudut A, dan seandainya fiber optik tidak bengkok sinar akan tiba pada titik B1 sebagai titik pantulan berikutnya

- Dengan adanya belokan, sinar membentur dinding fiber lebih dini pada titik B2, dengan sudut masuk B yang lebih kecil dari sudut aslinya A dibagian fiber yang lurus.

- Jika B lebih kecil dari sudut kritis, sinar akan keluar dari fiber dan sebagian energi dari mode yang bersangkutan akan hilang.

Pembuat fiber biasanya menspesifikasikan suatu radius belokan minum dan memberikan pula suatu angka rugi minimum yang berkaitan dengan belokan tersebut.

Kombinasi Rugi-rugi Fiber

Page 44: Fiber Optic

Terdapat empat rugi yang inheren (yang melekat atau menjadi sifatnya) pada fiber, dan hal ini harus dbuat seminimal mungkin pada proses pembuatan fiber. Rugi-rugi ini adalah rugi penyebaran Rayleigh, rugi penyerapan bahan, rugi ragam bocor, dan rugi yang disebabkan oleh penggandengan mode karena penyebaran.

Dua dari empat rugi tersebut, yaitu rugi penyebaran Rayleigh dan rugi penyerapan bahan adalah rugi yang paling menonjol.

Rugi-rugi totalnya (rugi penyebaran Rayleigh dan rugi penyerapan bahan) pada fiber multimode sebagai fungsi panjang gelomabng, ditunjukkan dalam Gambar berikut.

Page 45: Fiber Optic

Dispersi

Dispersi dalam fiber optik mengakibatkan menyebarnya pulsa-pulsa cahaya dalam daerah waktu, sehingga pulsa menyatu dengan pulsa-pulsa yang terdahulu dan berikutnya, dan akan menghasilkan kesalahan pada keluaran penerima. Pulsa-pulsa ini dapat dipisahkan dengan menjauhkannya satu dari yang lain pada pemancar, tetapi hal ini akan mengurangi laju bit maksimum

Page 46: Fiber Optic

(Periode pulsa merupakan kebalikan dari bit rate). Pada beberapa laju bit yang tinggi, panjang maksimum fiber yang semula dibatasi oleh rugi-rugi, kemudian berubah menjadi dibatasi oleh dispersi.

Ada tiga macam dispersi pada fiber, yang disebabkan oleh tiga mekanisme yang berbeda, yaitu dispersi intermodal, dispersi bahan dan dispersi waveguide.

Dispersi Intermodal Alur total yang ditempuh oleh suatu sinar pada setiap mode

adalah bersifat zigzag, dan mempunyai panjang total yang berbeda dari setiap sinar mode yang lain (Perhatikan Gambar di bawah).

Jadi, sebuah pulsa yang dipancarkan ke dalam suatu fiber akan merambat melalui beberapa alur yang berbeda dan tiba pada ujung yang jauh pada waktu yang berbeda. Pulsa yang diterima adalah penjumlahan dari pulsa-pulsa mode ini, dimana masing-masing diperlambat dengan waktu yang berbeda-beda.

Keterlambatan yang terpendek adalah sinar yang merambat lurus pada inti, sedangkan yang terpanjang adalah sinar dengan sudut datang hanya sedikit lebih besar dari sudut kritis atau sama dengan sudut kritis. Selisih propagation delay time t dapat diturunkan sbb:

Dengan berpedoman pada Gambar di atas, (menunjukkan dua sinar dengan mode yang berbeda dan mengikuti alur-alur zigzag

2

1

mode 2

mode 1

Page 47: Fiber Optic

di sepanjang fiber dengan panjang z (1 km)) panjang alur zigzag total diperoleh sebagai,

dimana adalah sudut masuk dari mode yang bersangkutan dengan garis tegak lurus pada dinding fiber. Dalam mode orde terendah = (maks) = 90o dan pada mode orde tertinggi = (min) = c = sin-1(n2/n1)

Pada (maks), alur mode terpendek adalah:

dan pada (min), alur mode terpanjang adalah:

Selisish z panjang alur maks dan min didapatkan sebagai:

z = Zt (maks) - Zt (min) = z

dengan memasukkan = diperoleh:

z =

Karena sinar-sinar cahya dalam fiber lewat melalui suatu medium dielektrik dengan konstanta dielektrik r yang lebih besar dari satu, sinar akan bergerak lebih lambat dibandingkan jika sinar bergerak di ruang bebas. Permeabilitas relatif r = 1, sehingga kecepatan fasa sinar di dalam medium gelasadalah:

persamaan ini sama dengan persamaan untuk saluran transmisi.Karena = n2 maka di dalam inti gelas dengan indeks bias, n1 diperoleh:

Page 48: Fiber Optic

Jadi, selisih keterlambatan waktu antara mode orde terendah dan orde tertinggi diperoleh dengan membagi selisih panjang alur dengan kecepatan fasa, yaitu:

(ndet/km)

Perlu dicatat bahwa dispersi jenis ini adalah ciri dari fiber dan tidak dipengaruhi oleh panjang gelombang cahaya. Selain itu dispersi tidak terjadi dalam single mode fiber.

Contoh 5Untuk fiber step indeks dengan n1 = 1,55 dan = 0,0258, tentukanlah dispersi per kilometer dan total dispersi dalam suatu fiber dengan panjang 12,5 km

Penyelesaian

(a)

(b) Dispersi total: t = t (per km) x z = 1369 x 12,5 1,71 det

Dispersi inetrmodal untuk multimode graded-index fiber dinyatakan dengan persamaan:

Contoh 6Misalkan fiber dalam contoh di atas merupakan multimode graded-index fiber, maka tentukanlah dispersi maksimumnya !

Penyelesaian

Page 49: Fiber Optic

Untuk fiber sepanjang 12,5 km, t = 0,43 x 12,5 = 5,38 ndet

Dispersi Bahan Indeks bias inti (gelas) adalah tidak sama untuk sinar-sinar

dengan panjang gelombang yang berbeda-beda, tetapi berubah disepanjang spectrum. Sebagai akibatnya, jika pulsa cahaya yang dipancarkan mengandung komponen dengan beberapa panjang gelombang yang berbeda, yang terpusat pada suatu panjang gelombang tengah 0 seperti yang ditunjukkan dalam gambar dibawah, maka komponen pulsa yang mengandung panjang gelombang yang lebih pendek akan mengalami delay yang lebih besar dari komponen dengan panjang gelombang yang lebih besar.

Definisi Lebar Spektral dari Sebuah Sumber cahaya

Page 50: Fiber Optic

Hasilnya adalah dispersi pulsa di ujung penerima. Disperi bahan telah dibuktikan sebanding dengan penurunan

kedua dari indeks bias terhadap panjang gelombang, yaitu d2n/d2, dan dispersi yang dihasilkan adalah:

dengan Dm = = Koefisien dispersi bahan

(pdet/nm.km) 0 = panjang gelombang tengah dari spektrum cahaya 3 dB = lebar spektrum (analog dengan lebar jalur 3

dB)Sehingga untuk fiber sepanjang 1 km (z = 1km):

t = Dm z 3 dB (ndet/km) Nilai-nilai koefisien dispersi bahan untuk fiber silica murni

dan yang dicampur (doping) ditunjukkan gambar berikut

Page 51: Fiber Optic

Nilai Koefisien Dispersi Bahan untuk Fiber Silica Murni dan yang dicampur

Berdasarkan gambar di atas lengkung dispersi bahan ini menyilang nol dekat panjang gelombang sebesar 1,3 m. Karena itu, jika dipakai sebuah fiber single mode pada panjang gelombang dekat 1,3 m, dispersi akan hampir dihilangkan asalkan dipakai sumber cahaya monokromatis ( lebar spektralnya sangat sempit).

Contoh 7

Page 52: Fiber Optic

Fiber dalam contoh 5 akan digunakan dengan sebuah sumber cahaya 0,8 m dengan lebar spectral 1,5 nm. Berapakah dispersi bahan yang dihasilkan ?

PenyelesaianBerdasarkan grafik koefisien dispersi bahan, pada 0,8 m Dm = -0,15 ns/nm.km untuk fiber yang didoping. Untuk fiber dengan pangjang 1 km:

t = Dm z 3 dB = -0,15 ndet/nm.km x 1 km x 1,5 nm = 0,225 nm/km (delay)

Untuk fiber dengan panjang 12,5 kmt = 12,5 x 0,225 = 2,81 ndet

Dispersi WaveguideKarena sumber cahaya monokromatis tidak dapat dibuat,

maka cahaya yang dipancarkan akan mengandung komponen dengan panjang gelombang yang berbeda. Sebagai akibatnya, mekanisme fiber dalam membimbing cahaya akan mengakibatkan pelebaran pulsa yang diterima, yaitu cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda akan memiliki sudut datang yang berbeda sehingga sampai di ujung penerima dalam waktu yang berbeda. Efek ini adalah akibat dari sifat membimbing (guiding) dari fiber, sehingga timbul istilah dispersi waveguide.

Contoh 8Suatu fiber single mode dengan panjang 12,5 km digunakan

dengan sumber cahaya 1,3 m yang mempunyai lebar spectrum 6 nm. Hitunglah dispersi waveguide yang ditimbulkan jika koefisien dispersi waveguide adalah Dw = 6,6 pdet/nm.km !

Penyelesaian

Page 53: Fiber Optic

t = Dw z 3 dB = 6,6 pdet/nm.km x 12,5 km 6 nm = 495 pdet

Dispersi Total dan Laju Transmisi Dispersi total adalah kombinasi rms (root mean square) dari

ketiga pengaruh dispersi, yaitu:t (tot) =

Untuk melihat bagaimana dispersi mempengaruhi laju informasi, tinjau gambar berikut yang menunjukkan bagaimana pulsa-pulsa yang tiba dengan delay yang berbeda pada penerima ditambahkan untuk membentuk suatu pulsa yang diperlebar (didespersikan).

Bagaimana Dispersi Menyebabkan Saling Bertindihnya Pulsa

Pulsa A mewakili pulsa yang mengalami delay rata-rata, pulsa B mengalami delay minimum dan pulsa C mengalami delay maksimum. Pulsa Keseluruhan yang diterima D adalah hasil penjumlahan dari semua komponen pulsa diantara limit B dan C.

Page 54: Fiber Optic

Lebar pulsa tw mewakili lebar pulsa yang dipancarkan, sedangkan tr mewakili lebar pulsa yang diterima (diperlebar), yang adalah lebih lebar sebanyak waktu dispersi total, yaitu:

tr = tw + t (tot) Jika pulsa berikutnya akan dideteksi tanpa mendua arti, maka

pulsa ini (berikutnya) harus dipancarkan setelah suatu periode tr dari permulaan pulsa yang sedang dipancarkan. Laju informasi yang sesuai dengan kondisi ideal ini adalah:

Karena dalam praktek faktor dispersi cenderung menjadi lebih besar dari keadaan ideal, dan karena ekor pulsa cenderung memanjang melampaui limit pulsa rata-ratamaka perlu untuk memberikan suatu faktor keamanan skira-kira lima kali lebar pulsa yang diterima, yaitu:

Contoh 9Sebuah fiber single mode bekerja pada 1,3 m memiliki

dispersi bahan sebesar 2,81 ndet dan dispersi waveguide sebesar 0,495 ndet. Tentukanlah lebar pulsa yang diterima dan laju informasi maksimum jika lebar pulsa yang dipancarkan memiliki lebar 0,5 ndet. Dispersi intermodal tidak terjadi pada single mode fiber.

Penyelesaiant (tot) = = = 2,85

ndettr = tw + t (tot) = 0,5 + 2,85 = 0,00335 det

Page 55: Fiber Optic

Design Consideration of a Fiber Optic Communication System

Pokok Bahasan Pengantar Modulasi Analog dan Digital Noise dalam Proses Deteksi Bit Error Rate (BER) Desain Sistem Jarak Maksimum

1. Pengantar Untuk membangun link komunikasi fiber optic minimal

dibutuhkan 3 elemen dasar, yaitu sumber, fiber dan detector optic.

Pada bagian ini, dibahas link komunikasi fiber optik point to point (Perhatikan Gambar 1).

Page 56: Fiber Optic

Jarak antara dua titik dapat dalam range kurang dari 1 km (link data computer) sampai beberapa ribu km (link antar samudera). Dalam link tersebut, akan terdapat transmitter (LED atau diode laser (ILD)), jalur transmisi berupa fiber optik (multimode atau single mode fiber), dan receiver optik (PIN atau APD) yang diikuti oleh elektronik deteksi.

Pemilihan komponen ini tergantung dari jarak serta bit rate. Regenerator (dipakai untuk link yang dbatasi oleh dispersi)

berfungsi:- mendeteksi pulsa sebelum dayanya menjadi sangat

rendah (pulsa tidak dapat dibentuk kembali).- Retime, reshape, regenerate pulsa optic yang baru untuk

ditransmisikan kebagian berikutnya. Untuk link yang dibatasi oleh loss (loss > dispersi),

regenerator dalam Gambar 1 dapat digantikan oleh penguat optik. Penguat optic berfungsi untuk memperkuat pulsa optic dalam domain optic tanpa mengubahnya ke sinyal listrik sebelum ditransmiskan lebih lanjut.

Namun, kita tidak dapat menempatkan penguat optic dalam jumalh yang tak berhingga, karena penguat tersebut tidak dapat mengkompensasi dispersi dan menambah noise.

Jadi link yang panjang (long haul link) harus memakai Regenerator.

Dalam desain link fiber optik, biasanya terdapat dua analisa yang harus dikerjakan untuk memastikan bahwa sistem melakukan keperluan yang kita inginkan, yaitu power budgeting dan rise time budgeting.

Power budgeting memastikan bahwa daya yang cukup diterima oleh penerima sehingga error pada detector dibawah dari batasan tertentu. Rise time budgeting memastikan bahwa bandwidth sistem keseluruhan mampu menangani bit rate.

Bandwidth dan Rise Time

Page 57: Fiber Optic

Dalam sistem komunikasi optik, deretan pulsa dibentuk dengan menghidup dam mematikan sumber optik seperti diode laser atau LED. Adanya pulsa cahaya berhubungan dengan biner 1 dan tidak adanya pulsa cahaya beruhubungan dengan biner 0.

Dua teknik umum yang dipakai untuk mewakili deretan pulsa digital adalah format nonreturn to zero (NRZ) dan return to zero (RZ).

Dalam format NRZ, lamanya masing-masing pulsa digital sama dengan priode pulsa sedangkan dalam RZ lamanya pulsa lebih pendek dari periode pulsa (perhatikan Gambar 2).

Gambar 2. Deretan Pulsa Digital 00101110110 dalam Format NRZ dan RZ

Bandwidth f yang diperlukan oleh skema RZ dan NRZf B untukRZ (1)f B/2 untuk NRZ (2)

dengan B = bit rate =

Page 58: Fiber Optic

Metode lain untuk mewakili keperluan bandwidth adalah melalui parameter yang disebut dengan rise time Tr, yaitu waktu yang diperlukan oleh sistem untuk naik dari 10% ke 90% dari nilai maksimum untuk input berupa fungsi step (tangga). Bandwidth dan rise time memiliki hubungan:

Tr = (3)

Tr = untuk RZ (4)

Tr = untuk NRZ (5)

2. Noise dalam Proses Deteksi Photodetektor merupakan detector cahaya yang berfungsi

untuk mengubah cahaya menjadi sinyal listrik (PIN atau APD)

Ketika cahaya jatuh pada photodetektor, pasangan electron-hole dibangkitkan yang akan menghasilkan arus listrik.

Proses konversi dari cahaya ke arus listrik diikuti oleh bangkitnya noise.

Dua mekanisme noise yang paling penting dalam prose tersebut adalah Shot Noise dan Thermal Noise.

2.1 Shot Noise

= 2 e (I + Id) f (6)

= kuadrat rata-rata arus shot noise

e = muatan electron f = bandwidth deteksi

Id = dark current I = R P = arus rata-rata yang dibangkitkan oleh detector R = responsivity P = Daya optic

Page 59: Fiber Optic

Contoh 1:Photodiode PIN silicon beroperasi pada 850 nm dengan dark

current sebesar 1 nA. Untuk masukan daya optik sebesar 1 W, dengan responsivity sebesar 0,65 A/W, memiliki arus:

I = R P 0,65 ADark current seperti detector tersebut yaitu 1 nA, sangat kecil

dibandingkan dengan arus sinyal yaitu 650 nA, dan karenanya dapat diabaikan dalam perhitungan shot noise. Sehingga untuk detector dengan bandwidth 100 MHz:

= 2 x 1,6 x 10-19 x 0,65 x 10-6 x 108

2,08 x 10-17 A2

dan arus shot noise rms adalah:

4,6 nA

2.2 Thermal Noise

= (7)

kB = konstanta Boltzman = 1,38 x 10-23 J/K T = Temperatur f = bandwidth deteksi Contoh 2:

Untuk parameter dengan nilai RL = 500 , f = 100 MHz, dan T = 300 K memberikan nilai arus noise thermal:

= 3,3 x 10-15 A2.

dan arus noise thermal rms = 5,75 x 10-8 A. Perbandingan antara contoh 1 dengan contoh 2 menunjukkan dalam situasi tersebut noise thermal lebih mendominasi.

2.3 Signal to Noise Ratio

Page 60: Fiber Optic

Salah satu parameter yang paling penting dalam deteksi adalah SNR yang didefinisikan sebagai:

SNR = (8)

Jika P mewakili daya optik yang datang pada photodetector dengan responsitivity R, maka arus sinyal adalah RP dan daya sinyal listrik sebanding dengan R2P2. Total daya noise sebanding dengan total kuadrat rata-rata arus noise yang merupakan jumlah dari shot noise dan thermal noise. Jadi SNR:

SNR = (9)

Dalam persamaan (9) yang mendefinisikan SNR, biasanya salah satu dari noise (shot atau thermal noise) pada penyebut mendominasi tergantung pada kondisi operasi.

SNR = (shot noise limited) (10)

SNR = (thermal noise limited) (11)

Contoh 3:Pertimbangkan photodiode PIN silicon dengan R = 0,65

A/W, Id 1 nA, RL = 1000 yang beroperasi pada 850 nm. Jika daya optik yang datang sebesar 500 nW dan bandwidth sebesar 100 MHz, maka: Arus sinyal I = R P = 0,65 x 5 x 10-7 = 0,325 A

Arus shot noise rms karena sinyal = (2eRPf)1/2 3,2 nA Arus shot noise rms karena dark current = (2eIdf)1/2 0,18 nA Arus noise thermal rms:

Page 61: Fiber Optic

40,7 nA

Karena itu, untuk detektor ini arus noise thermal sekitar 12 kali kebih besar dari arus shot noise sinyal dan 225 kali lebih besar dari dark current.

SNR yang berhubungan dengan daya yang datang adalah sebesar 63 18 dB.

Persamaan (6) – (11) valid untuk detector PIN yang tidak memiliki gain internal

Detektor APD memiliki gain internal yang dinyatakan dengan M, maka untuk daya optik input P, arus sinyal yang dihasilkan adalah:

I = M R P (12)dan daya sinyal listrik sebanding dengan M2R2P2.

Thermal noise untuk APD sama seperti halnya pada PIN dan dinyatakan dengan persamaan (7), sedangkan untuk shot noise dinyatakan sebagai:

(13)dengan Mx = excess noise. (x = 0, tidak adanya excess noise).

Tipe APD xAPD Silicon 0,3APD InGaAs 0,7

APD Germanium 0,1Sehingga SNR untuk detector APD dinyatakan sebagai:

SNR = (14)

Contoh 4:

Page 62: Fiber Optic

Perimbangkan detector APD dengan M = 50 dan x = 0 (tidak terdapat excess noise). Jika dipakai parameter seperti contoh 3, maka dalam hal ini:

Arus sinyal = 50 x 0,65 x 5 x 10-7 16,25 AArus shot noise rms karena sinyal = (2eM2RPf)1/2 161 nANoise dark current rms = (2eM2Idf)1/2 8,9 nAThermal noise tetap sama yaitu 40,7 nA.

SNR dalam hal ini adalah:

SNR = 9548 39,8 dB

Nilai SNR detector APD ini (39,8 dB) merupakan perbaikan yang sangat signifikan terhadap SNR detector PIN yang bernilai 18 dB (lihat contoh 3).

Jika dalam persamaan (14) thermal noise dominan terhadap shot noise, maka SNR dinyatakan sebagai:

SNR = (thermal noise limited) (15)

Nilai SNR ini diperbaiki dengan factor M2 berkenaan dengan persamaan (11) (detector PIN).

Namun jika M bernilai besar, maka detektor akan menjadi shot noise limited dan thermal noise diabaikan sehingga persamaan (14) menjadi:

SNR = (shot noise limited) (16)

Nilai SNR ini lebih buruk dibandingkan dengan detector PIN karena excess noise Mx pada detector APD (lihat persamaan (10)).

Page 63: Fiber Optic

Jadi dalam operasi thermal noise yang dominan, APD memiliki SNR yang lebih baik dan karenanya labih menarik dibandingkan PIN.

Persamaan (14) dapat ditulis kembali sebagai:

SNR = (17)

Berdasarkan persamaan (17), bagian kedua dari penyebut (berhubungan dengan thermal noise) nilainya berkurang dengan meningkatnya nilai M, dan bagian pertama (berhubungan dengan shot noise) nilainya meningkat dengan meningkatnya nilai M. Jadi, terdapat nilai factor pengali M yang optimum untuk memperoleh nalai SNR yang maksimum. Nilai SNR yang maksimum akan berhubungan dengan nilai penyebut yang minimum dalam persamaan (17), berkenaan dengan nilai M. Dengan mendeferensialkan penyebut persamaan (17) dan menyamakan dengan nol, diperoleh nilai M yang optimum:

(18)

Contoh 5Pertimbangkan deteckor APD silicon yang beroperasi pada

300 K, dengan RL = 1000 dan daya optik input sebesar 100 nW. Khasnya nilai R = 0,65 A/W dan x = 0,3.

Dengan mengabaikan dark current, berdasarkan persamaan (18) diperoleh:

Mop 42.SNR APD untuk f = 100 MHz adalah

Page 64: Fiber Optic

SNR = 577 27,6 dBSNR untuk PIN (M = 1) adalah:

SNR 2,5 4 dB.Jadi dalam kasus ini, SNR APD mendapatkan perbaikan sebesar 23,6 dB dibandingkan dengan PIN.

Contoh 6Pertimbangkan APD germanium dengan responsitivity R =

0,45 A/W yang beroperasi pada 1300 nm dan 300 K.

Untuk germanium x = 1, sehingga:

Mop =

Jika P = 500 nW dan mengabaikan Id, dan RL = 1000 , Mop 7,7

Nilai SNR yang diperoleh akan lebih kecil dibandingkan dengan PIN.

3. Desain Sistem Link komunikasi fiber optik yang paling sederhana adalah

link point- to-point, yaitu sebuah transmitter pada satu sisi mengirim informasi disepanjang link fiber optik ke sebuah receiver pada sisi yang lain

Desain sistem seperti tersebut melibatkan banyak aspek seperti tipe sumber yang dipakai (LED atau LD), tipe fiber (multimode atau single mode) dan photodetector (PIN atau APD).

Page 65: Fiber Optic

Pemilihan berbagai macam komponen tertantung pada jarak antara transmitter dengan receiver, kecepatan informasi. biaya, ketahanan komponen, kemungkinan upgrade, dll juga merupakan hal yang penting.

Desain sistem fiber optik dilakukan dengan mamakai power budget dan rise time budget

3.1 Power BudgetKetika cahaya merambat dari sumber menuju deteckor, cahaya mengalami beberapa loss yaitu:

Coupling loss ketika sumber mengkopel cahaya ke fiber optik

Loss transmisi ketika cahaya merambat pada fiber optik Loss akibat adanya sambungan dan konektor

Jika Pi dan Po adalah daya yang dipancarkan oleh sumber dan datang pada detector, maka total loss dalam dB adalah:

Loss = 10 log (19)

Terpisah dari loss yang sebenarnya dialami, ketika mendesain link biasanya dimasukkan margin 6 – 8 dB untuk mengatasi akibat loss yang berasal dari sambungan atau komponen yang mungkin harus ditambahkan pada waktu yang akan dating, serta untuk mengijinkan setiap keburukan komponen akibat umur komponen tersebut.

Jika seluruh loss dinyatakan dalam dB, maka daya yang diterima oleh receiver untuk daya sumber Pi (dBm) adalah:

Po = Pi – Nclc – Nsls - Lt (20) dengan lc = connector loss Nc = jumlah konektor ls = loss pada setiap sambungan Ns = jumlah sambungan t = fiber transmission loss (dB/km) L = panjang total fiber (km).Jika Pm mewakili margin daya ( khasnya 6 – 8 dB), dan Pmin maka:

Page 66: Fiber Optic

Po – Pm > Pmin

Contoh 7Asumsikan bahwa diperlukan untuk menginstall/memasang link 40 km dengan fiber yang memiliki loss sebesar 0,5 dB/km, dan senstivitas receiver adalah –39 dBm. Terdapat empat sambungan dengan loss pada setiap sambungan adalah 0,5 dB dan dua konektor dengan loss masing-masing 1 dB. Jika margin adalah 6 dB, maka daya sumber harus melebihi:

Pi = Pmin + Pm + 2lc + 4ls + Lt

= -39 + 6 + 2x1 + 4x0,5 + 40x0,5 = -9 dBm = 0,13 mW.

3.2 Rise Time Budget

Rise time budget adalah analisis untuk menentukan apakah sistem yang dimaksud akan dapat beroperasi dengan tepat pada bit rate yang diperlukan, karena dispersi link dan batasan kecepatan respon transmitter dan receiver.

rise time suatu peralatan adalah waktu yang dibutuhkan oleh respon untuk naik dari 10% ke 90% nilai output, ketika input berupa fungsi step.

Total rise time (s) yang merupakan kombinasi dari berbagai elemen link didekati dalam hubungannya dengan rise time masing-masing elemen i

s = (21)

Dalam sistem komunkasi fiber optik, total rise time link ditentukan oleh rise time transmitter (t), link fiber (f), dan receiver (r):

s = (22)

Rise time fiber didekati dengan dispersi pulsa, jadi rise time untuk tipe fiber yang berbeda dapat ditulis sbb:

Intermodal Dispersion

Page 67: Fiber Optic

a. Multimode step index fiber

im = (23)

b. Multimode graded fiber Parabolic index:

im = (24)

Optimum profile:

im = (25)

Material Dispersionm 85 L ps (0 ~ 850 nm) 0,5 L ps (0 ~ 1300 nm) 20 L ps (0 ~ 1500 nm) (26)

dengan L dalam satuan Km dan dalam satuan nm.

Total rise time fiber untuk multimode fiber adalah (dengan mengabaikan waveguide dispersion):

f = ( (27)

Untuk single mode fiber (karena = D.L.), diperoleh:f D.L. 2 L (0 ~ 1300 nm, z ~ 1300 nm) 16 L (0 ~ 1550 nm, z ~ 1300 nm) 2 L (0 ~ 1550 nm, z ~ 1550 nm) (28)

= lebar spectrum sumber L = panjang fiber 0 = panjang gelombang yang beroperasi z = panjang gelombang dengan dispersi nol.

Sekali total rise time link dihitung dengan memakai persamaan (22), diperoleh bit rate maksimum yang diijinkann melalui link fiber sebagai:

Page 68: Fiber Optic

B untuk RZ

B untuk NRZ (29)

(1) Untuk multimode step index fiber, pulse spread hampir sangat tidak tergantung dari lebar spectrum sumber, karena disperi intermodal jauh lebih besar dari dispersi materi. Dengan mengambil nilai yang khas n1 = 1,46, = 0,01 diperoleh bahwa rise time karena fiber adalah f 50 ns/km. Dengan memakai persamaan (29), dapat dilihat bahwa bit rate maksimum yang dapat ditangani oleh fiber adalah 0,7/(50x10-9) 14 Mb.km/s

(2) Pertimbangkan parabolic index multimode fiber dengan dispersi intermodal yang dinyatakan oleh persamaan (24)

im =

Untuk n1= 1,46, = 0,01, diperoleh im 0,24 ns/km. Untuk panjang gelombang yang beroperasi pada 850 nm, dispersi materi diberikan oleh persamaan (26). Jika sumber adalah laser diode dengan lebar spectrum 1 nm, maka kontribusi dispersi materi adalah 85 ps/km dan total rise time fiber (0,242 + 0,0852)1/2 0,25 ns/km, yang memberikan bit rate maksimum yang diperbolehkan sebesar 0,7/(0,25x10-9) 2,8 Gb.km/s.

Namun, jika sumber adalah LED dengan 25 nm, maka m 2,125 ns/km dan total rise time fiber adalah (0,242 + 2,1252)1/2 2,14 ns/km. Jadi, dalam hal ini rise time dibatasi karena dispersi materi dan bit rate maksimum adalah 0,7/(2,14x10-9) 300 Mb.km/s.

Page 69: Fiber Optic

Estimasi di atas mengabaikan kontribusi rise time sumber dan detector. Jika diasumsikan rise time sumber LED adalah 5 ns dan detector seb esar 1 ns, maka total rise time sIstem untuk fiber dengan panjang 10 km adalah:

[(2,14x10)2 + 52 + 12]1/2 22 ns yang memberikan bit rate maksimum (untuk 10 km) sebesar 32 Mb/s.

Sistem komunikasi fiber optik generasi I memakai 850 nm LED (dengan ~ 25 nm), loss fiber 3 dB/km, spasi repeater ~ 10 km, dan bit rate sebesar 45 Mb/s.

(3) Jika panjang gelombang yang beroperasi sekitar 1300 nm, dispersi materi akan menjadi sangat kecil dan, bahkan dengan ~ 100nm, rise time karena dispersi materi 0,05 ns/km yang diabaikan jika dibandingkan dengan dispersi intermodal 0,15 ns/km.

Dengan mengasumsikan rise time (LED) sebesar 5 ns dan detector sebesar 1 ns, total rise time untuk 30 km adalah [(0,15x30)2 + 52 + 12]1/2 6,8 ns, yang memberikan bit rate maksimum sekitar 100 Mb/s.Sistem fiber optik generasi II memakai 1300 nm LED (dengan ~ 25 nm) loss fiber ~ 1 dB/km, spasi repeater sebesar 30 km dan bit rate ~ 45 Mb/s.

(4) Pergeseran berikutnya adalah memakai single mode fiber sebagai pengganti multimode fiber dan beroperasi sekitar 1300 nm, dimana dispersi melewati nol. Dengan mengasumsikan dispersi yang khas 2 ps/km.nm pada panjang gelombang yang beroperasi (1300 nm) dan laser diode dengan = 2 nm, rise time fiber hanya 4 ps/km.

Page 70: Fiber Optic

Jika rise time sumber dan detector diasumsikan masing-masing sebesar 0,5 ns, maka dengan asumsi panjang fiber 50 km, total rise time sistem adalah (0,22 + 0,52 + 0,52)1/2 0,73 ns, dan bit rate maksimum adalah 0,96 Gb/s.

Sistem fiber optik generasi III memakai 1300 nm laser diode (dengan ~ 2nm), dengan single mode fiber yang memiliki loss ~ 0,8 dB/km. Spasi repeater sekitar 40 km dan bit rate sekitar 500 Mb/s.

(5) Ketika panjang gelombang yang beroperasi digeser ke 1550 nm, total dispersi dapat dibuat menjadi sangat kecil ( 2 ps/km.nm) dengan dispersion shifted fiber (DSFS).

Loss fiber pada panjang gelombang ini ~ 0,25 dB/km.

Sistem fiber optik generasi IV memakai 1550 nm laser diode dengan DSFS dan spasi repeater adalah 100 km.

Sistem yang beroperasi pada 2,5 Gb/s dan yang lebih tinggi memakai laser diode dan photodetector kecepatan tinggi.

Evolusi generasi sistem fiber optic

Page 71: Fiber Optic

Contoh 8Pertimbangkan rise time budget untuk transmisi 400 Mb/s NRZ pada fiber optik 100 km dengan BER 10-9.

Karena B = 400 Mb/s, total rise time sistem adalah:

s = 1,75 ns

Jika dialokasikan seluruh rise time pada fiber optik 100 km, hal ini meyatakan dispersi pulsa kurang dari 1,75 x 10-9/100 = 1,75 ps/km. Sudah tentu multimode fiber tidak dapat dipakai dan link harus berdasarkan single mode fiber

Karena pada 1300 nm loss fiber sebesar 0,4 dB/km, fiber optik 100 km akan menghasilkan loss 40 dB (terpisah dari loss konektor dan sambungan), yang juga terlalu besar. Sehingga perlu memakai transmisi 1550 nm.

Fiber dispersi nol 1300 nm memiliki dispersi sekitar 16 ps/km.nm pada 1550 nm. Dalam hal ini, tidak dapat dipakai laser semikonduktor multifrekuensi (Fabry Perot Laser) karena lebar spektrumnya 4 nm dan, dengan jelas fiber 100 km akan mengalami dispersi pulsa sebesar 16 x 100 x 4 = 6,4

Page 72: Fiber Optic

ns, yang jauh lebih besar dari nilai yang diijinkan 1,75 ns untuk sistem 400 Mb/s.

Karena itu, harus dipakai laser dioda satu frekuensi yang memiliki lebar spectrum yang khas 0,15 nm. Dengan memakai laser tersebut, dispersi pulsa karena fiber adalah 16 x 100 x 0,15 = 0,24 ns, yang jauh lebih kecil dari rise rise time yang diijinkan 1,75 ns.

Jika diasumsikan rise time 1 ns untuk transmitter laser, maka rise time phorodiode yang diijinkan adalah:r = ( = (1,752 – 0,242 – 12)1/2

1,42 ns.

Untuk power budget, asumsikan bahwa pigtail laser diode memiliki daya output sebesar 1 mW (=0 dBm) dan sistem memiliki dua konektor (masing-masing memiliki loss sebesar 1 dB) dan 10 sambungan dengan masing-masing loss sebesar 0,1 dB. Dengan mengasumsikan redaman fiber sebesar 0,25 dB/km pada 1550 nm, maka daya yang mencapai detector adalah:

Prec = (0 – 2 – 10x0,1 –100x2,5) dBm = -28 dBm.

Pada bit rate 400 Mb/s dengan R = 0,65 A/W, C = 1pF, dan SNR = 144 (untuk BER = 10-9), sensitivitas PIN (berdasarkan persamaan (25)) adalah –29,2 dBm. Jadi, hanya terdapat margin sebesar 1,2 dB. APD dapat memberikan perbaikan sebesar 10 dB (dibawah kondisi thermal noise limited) dan karenanya dapat dipakai dalam link saat ini.

4. Jarak Transmisi Maksimum Akibat Redaman dan Disperi

Page 73: Fiber Optic

Pada bagian ini akan diperoleh panjang maksimum link tanpa repeater akibat redaman dan dispersi fiber. Hal ini bukan merupakan batasan yang mendasar karena jarak tersebut dapat dilampui dengan memakai komponen-komponen seperti penguat optik, pengkompensasi dispersi, dsb.

4.1 Batas RedamanData yang ditransmisikan, yang diwakili oleh deretan pulsa

digital untuk dideteksi dengan BER kurang dari nilai tertentu (khasnya 10-9), akan terdapat jumlah minimum photon per bit informasi. Jika jumlah photon ini adalah NP, maka untuk bit rate B, daya terima minimum rata-rata adalah:

(30)

dengan hv adalah energi masing-masing photon yang diterima.Jika mewakili koefisen loss fiber dalam dB/km, maka

untuk daya yang dipancarkan Pi, daya optik yang diterima pada panjang L adalah:

Po = Pi 10-L/10 (31)Jadi, jika daya yang diterima adalah minimal Pr , maka panjang maksimum link yang diijinkan adalah:

Lmax = (32)

Perhatikan bahwa panjang link maksimum yang diijinkan yang dibatasi loss, menurun terhadap bit rate.

Contoh 9Sistem yang beroperasi pada 1300 nm memiliki koefisien

loss fiber = 0,4 dB/km. Asumsikan daya input sebesar 0 dBm (Pi

= 1 mW) dan NP = 1000. Tentukan panjang link maksimum untuk bit rate sebesar 2,5 Gb/s.

Penyelesaian:

Page 74: Fiber Optic

Lmax =

=

Catatanhv = h c/ (lambing v = f = frekuensi).

Contoh 10Untuk sistem yang beroperasi pada 1550 nm memiliki

koefisien loss fiber = 0,2 dB/km. Asumsikan daya input sebesar 0 dBm (Pi = 1 mW) dan NP = 1000. Tentukan panjang link maksimum untuk bit rate sebesar 2,5 Gb/s.

Penyelesaian:

Lmax = = 190 km.

Dua contoh di atas menunjukkan keuntungan memakai panjang gelombang 1550 nm dimana redaman minimum untuk fiber silica.

4.2 Batas DispersiTerpisah dari redaman atau loss, dispersi juga membatasi

jarak jangkau tanpa repeater dalam sistem komunikasi optik. Pelebaran pulsa menyebabkan pulsa-pulsa yang berdekatan saling tumpang tindih, yang menghasilkan error.

Kriteria yang dipakai secara umum untuk dispersi pulsa maksimum yang diijinkan adalah:

(33)

Page 75: Fiber Optic

dengan T adalah durasi bit. Dalam hubungannya dengan bit rate B (=1/T), persamaan di atas dapat ditulis sebagai:

4 B 1 (34) Untuk single mode fiber, dispersi dinyatakan sebagai:

= D L (35)dengan D = koefisien dispersi

L = panjang fiber = lebar spectral sumber cahaya

Substitusi dalam persamaan (33), diperoleh perkalian bit rate dengan panjang fiber sebagai:

B.L

(36) Untuk konvesional fiber single mode dengan dispersi sebesar

nol pada 1300 nm, didapat parameter = 1 nm, D = 1 ps/nm.km. Jadi, B.L < 250 Gb/s.km, yang menyatakan pada 2,5 Gb/s jarak maksimum repeater adalah 100 km.

Dengan mengoperasikan fiber tersebut pada 1550 nm, dengan D = 16 ps/nm.km (asumsikan = 1 nm) diperoleh B.L < 15 Gb/s.kmJadi, pada 2,5 Gb/s, panjang fiber optik tanpa repaeater (jarak maksimum repeater) hanya 6 km. Hal ini menunjukkan pengurangan yang sangat signifikan dalam panjang tanpa repeater (jarak maksimum repeater).

Asumsikan, laser adalah single frekuensi (seperti DFB (Distributed Feedback) laser) dan lebar spektrum akibat modulasi jauh lebih besar dari spektrum laser. Jika, 0 mewakili lebar pulsa input, maka lebar spektrum akibat modulasi adalah:

v ~ (37)

Dalam hubungannya dengan panjang gelombang persamaan (37) menjadi:

Page 76: Fiber Optic

(38)

Asumsikan deretan pulsa NRZ:

(39)

Dengan memakai persamaan (38), (39) dalam (35) diperoleh:

B2.L (40)

Perhatikan bahwa dalam kasus ini, dengan menduakalikan bit rate akan mengurangi jarak repeater maksimum dengan faktor 4. Hal ini berlawanan dengan kasus dimana spektrum sumber memiliki lebar yang besar (Persamaan 36), dengan menduakalikan panjang fiber akan mengurangi bit rate B dengan faktor 2.

Pertimbangkan fiber single mode yang konvesional beroperasi pada 1300 nm dengan D = 1 ps/nm.km, maka:B2.L 4,4 x 104 (Gb/s)2.km dan pada 2,5 Gb/s, L 7040 km

dan pada 10 Gb/s, L 440 km. Dengan mengoperasikan fiber ini pada 1550, D = 16

ps/nmn.km, maka:B2.L 2750 (Gb/s)2.km dan pada 2,5 Gb/s, L 440 km dan

pada 10 Gb/s, L 27,5 km

Jika dipakai DSF (Dispersion Shifted Fiber) yang beroperasi pada 1550 nm, maka D = 1 ps/nm.km dan diperoleh:

B2.L 3,12 x 104 (Gb/s)2.km dan pada 2,5 Gb/s, L 4992 km dan pada 10 Gb/s, L 312 km

Batas panjang tanpa repeater ketika ditentukan oleh dispersi dalam fiber single mode diplot dalam Gambar 3. Perhatikan, dengan pemakaian DSF bahkan pada 10 Gb/s system fiber optik adalah dibatasi loss dari pada dibatasi dispersi (loss lebih menentukan panjang maksimum)

Page 77: Fiber Optic

Gambar 3. Jarak Transmisi Maksimum ketika ditentukan oleh Redaman dan Dispersi